摘要
现今，新型能源、电动汽车、移动电子设备、特种装备等都离不开储能系统。相较于锂离子电池，锌离子电池因高安全性、低成本、易组装以及丰富的自然界储量有望成为锂离子电池的替代品，并在静态储能领域发挥独特优势。然而，水系电解液的析氢反应以及锌金属负极枝晶等问题阻碍了其商业化进程。针对以上问题，本文对Zn2+的溶剂化结构以及电极/电解液界面进行修饰，从而实现高性能水系锌离子电池。主要研究内容如下: （1）N，N-二甲基甲酰胺（DMF）修饰锌离子溶剂化结构以稳定锌金属负极。首先探究了锌金属表面氧化层以及测试温度对电池性能的影响。在此基础上，以强极性的DMF作为水的共溶剂，修饰Zn2+的溶剂化结构，从而抑制锌沉积时的析氢反应，同时提供更多的成核位点，避免锌枝晶的产生。在含DMF电解液中，Zn‖Zn对称电池表现为更稳定且更长的循环寿命（190h），Zn‖VS2全电池循环800圈后有着57.5％的容量保持率。 （2）电极/电解液界面工程提升锌金属负极可逆性。锌枝晶和析氢反应发生在电极/电解液界面处。因此，本节引入两性表面活性剂甜菜碱分子对电极/电解液界面进行修饰。利用吸附性的甜菜碱分子减少界面处的水分子，抑制析氢反应以及水分子对锌金属的腐蚀。此外，其空间位阻效应可限制Zn2+在表面的二维扩散，从而提供更多的成核位点，抑制锌枝晶的生成。因此，Zn‖Zn对称电池在电流密度5mAcm-2沉积剥离容量5mAhcm-2下可循环850h，循环寿命明显长于2MZnSO4电解液（154h）,并在Zn‖Cu半电池中保持99.54％的高库伦效率。在VS2和LiMn2O4两种全电池性能中，含甜菜碱电解液分别有着66.7％和44％的容量保持率。 （3）双功能肌醇添加剂实现高性能水系锌离子电池。为提高锌离子电池（ZIBs）的电化学性能，本节将具有六个羟基的天然无毒肌醇添加剂添加到2MZnSO4电解液中。核磁共振2H化学位移表明肌醇分子与Zn2+发生强烈的配位作用，Zn2+溶剂化结构得以改变，此溶剂化结构在Zn2+沉积时释放的水分子数更少，从而有效抑制析氢反应、腐蚀和副产物的形成。此外，根据密度泛函理论（DFT）计算和接触角实验以及电化学测试结果，肌醇分子更易吸附于锌负极表面，可限制Zn2+的二维扩散，避免团聚和锌枝晶生长。实验结果表明，采用含肌醇添加剂电解液，在电流密度为1.0Ag-1下，Zn‖V2O5具有213mAhg-1的最高放电比容量，并且在循环1800圈后仍保持99mAhg-1的高可逆比容量。电解液兼容性测试中，Zn‖V2O5?H2O、Zn‖VS2、Zn‖LiMn2O4全电池在含肌醇电解液中均有着更高电化学性能。
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